赵洪霞,程培红,鲍吉龙,王金霞

(宁波工程学院电子与信息工程学院,浙江 宁波 315016)



一种新型结构长周期光纤光栅光谱特性研究*

赵洪霞*,程培红,鲍吉龙,王金霞

(宁波工程学院电子与信息工程学院,浙江 宁波 315016)

基于长周期光纤光栅(LPFG)包层有效折射率与包层半径、折射率和环境折射率的良好相关性,提出一种LPFG的新颖结构。利用传输矩阵法和三包层光纤的色散方程对其建模,mathcad15计算软件进行数值仿真和模拟。得到新型结构LPFG谐振峰发生分裂,即一个透射峰分裂为两个;两个分裂峰谐振波长间距随着腐蚀段包层半径的减小或填充材料厚度的增大而增加,模式越高增加越快;同时分裂峰间距在填充材料折射率小于1.4和大于1.48时基本不变,而在1.4和1.48之间分裂峰间距变化显著,在1.44附近达到极值。此种结构LPFG设计上的特殊性即可弥补半腐蚀LPFG容易断的不足,又可通过填充敏感材料且利用分裂峰间距定标而提高气体或液体浓度传感灵敏度。

光纤光栅;包层半径;填充厚度;填充材料折射率;环境折射率

自从1995年Vengsarkar等人[1]在光纤中成功地写入LPFG以来,有关LPFG在传感方面[2-8]的研究引起了学者们的广泛关注。LPFG把纤芯中传输的基模能量耦合到同向传输的包层模中损耗掉,因此它的透射光谱极易受包层和周围环境的影响,这一特点使其比布拉格光纤光栅具有更大的环境参量测量灵敏度。但LPFG又具有较强参量测量交叉敏感性,限制了其传感解调精度及实用化的范围。为解决此问题,新型结构LPFG不断涌现[9-13],这些方法中有些[10]系统复杂成本高,有些[9,11-13]制作复杂,仅适用于一些特殊的应用场合,不具普适性。本研究团队曾提出一种半镀模的LPFG结构[14],此方法可以使LPFG的透射谱分裂,实现双参量同时测量,但灵敏度不高。

本文基于LPFG包层有效折射率与包层半径、折射率及环境折射率的良好相关性,提出一种既可使LPFG谐振波长分裂,解决交叉敏感问题,又能提高传感灵敏度的新型结构LPFG传感器。通过对该结构传感器的传感机理和传感特性的深入分析,力求为LPFG传感器提高其传感精度及实用化提供理论依据。

1 新型LPFG结构模型

如图1所示,长为L的LPFG被分成L1和L2两段,且L1=L2;在L2段折射率为n1的包层介质被腐蚀掉厚度d,并用折射率为n2的介质填充,这样就在L2区形成了双包层结构,经过这样的结构变化,传统LPFG被设计成两段横向分布结构。其中n0为纤芯折射率,n3为外界环境折射率。

图1 新型LPFG结构模型

2 理论分析

根据模式耦合理论,长为L的m阶均匀LPFG可用传输矩阵TK表示[15]

(1)

新型LPFG传感器可等效看作长度为L2的四层LPFG和长度为L1的三层LPFG的串联。利用传输矩阵法,同向传输的纤芯基模和第m阶包层模经历新型LPFG后,纤芯基模和包层模的幅值为[15]:

(2)

经公式处理得新型LPFG传感器纤芯基膜的透过率为:

T(λ)=|(t11b11+t12b21)t13+(t11b12+t12b22)t23|2

(3)

其中

S1,Δβ1,K1为L1段LPFG式(1)对应的各量;S2,Δβ2,K2为L2段LPFG式(1)对应的各量。

对于普通单模弱导光纤而言,由于包层半径较大,因此,在分析新型LPFG的纤芯基模有效折射率时,可以忽略填充材料对导模的影响,采用普通的两层光纤模型[16]。在计算包层有效折射率时,可采用三包层模型LPFG的特征方程[17]。

3 数值仿真及讨论

图2为利用式(3)采用Mathcad15PTC计算软件得到的新型LPFG透射谱曲线,其中有关参数为:n0=1.446 61、n1=1.444 03、Λ=450×10-6m、L=0.05 m、δn=2.1×10-5、n2=1.62、n3=1、λ=1.5 μm、d=20 μm、L1=L2=0.025 m,纤芯半径为a=4.15 μm。

图2 新型LPFG透射谱

图2显示,新型LPFG的透射谱由双峰构成,确实实现了LPFG透射峰的分裂。根据式(3)可知,新型LPFG的透射谱,在纤芯和包层材料折射率及纤芯半径确定的情况下,与包层半径、填充材料厚度、填充材料折射率及外界环境折射率等结构参数有密切关系。

利用上述计算参数,在n3=1.62的情况下,任选L2段LPFG第52～58阶7个EH模作为研究对象,包层有效折射率与包层半径关系如图3所示。

由图可知,在其他参数固定不变的前提下,包层有效折射率与包层半径呈很好的曲线对应关系。对某一级模式,随着包层半径的减小,包层有效折射率随着减小;包层模阶数越高,包层有效折射率减小的速度越快。

图3 L2段LPFG包层有效折射率与包层半径之间关系曲线

根据Charles Y H T Sao的三层光纤色散方程公式[18],在n0=1.446 61、n1=1.444 03、a=4.15 μm、λ=1.5 μm和包层半径为62.5 μm情况下,得L1段LPFG 52～58阶EH模的包层有效折射率值如表1所示。

表1 L1段LPFG包层有效折射率

根据L1,L2两段LPFG包层有效折射率的计算结果,由式(3)推得新型LPFG两个分裂峰间距与包层半径之间的关系如图4所示。

图4 分裂峰间距与包层半径之间关系曲线

由图可知,在两段光栅具有相同的包层半径62.5 μm时有一个谐振峰,当L2段光栅包层半径减小后,一个谐振峰分裂为两个,随着包层半径的减小填充材料厚度的增加,两分裂峰波长间距增大,当包层半径为20 μm时,第EH52个模式两分裂峰波长间距可达1.6 nm。因填充材料厚度与包层半径和为常量62.5 μm,从而得与图4相反的分裂峰间距与填充材料厚度之间的关系曲线如图5所示。

图5 分裂峰间距与填充材料厚度之间关系曲线

由图可知,L2段LPFG填充材料厚度从0逐渐增大到45 μm的过程中,两谐振峰的间距逐渐增大,随着包层模阶数的增加,分裂峰间距随填充厚度的增加而增大的速度也在加快。

图6是填充厚度为12.5 μm和栅格周期为400 μm的情况下,两个分裂峰间距与填充材料折射率之间的关系曲线。

图6 分裂峰间距与填充材料折射率之间关系曲线

由图可知,当L2段LPFG填充材料折射率小于1.4时,新型LPFG 4个模式分裂峰间距几乎不变,即包层有效折射率几乎不变;根据文献[19],填充材料折射率的变化会引起包层模传播常数的改变,从而将影响LPFG的相位匹配波长。随着填充材料折射率的增大,包层对模式的束缚作用逐渐减弱,在相同波长下,包层模的数量减少,对应模式的传播常数增大,在包层折射率附近达到最大,于是导模与包层模间的耦合波长会减小。L2段长周期光纤光栅HE模的谐振波长大于未腐蚀段光栅的同阶模式谐振波长,从而在填充材料的折射率为1.4～1.48时,分裂峰间距迅速减小,变化幅度达0.212 μm;而L2段长周期光纤光栅EH模的谐振波长小于未腐蚀段光栅同阶模式的谐振波长,从而在填充材料的折射率为1.4～1.48时,分裂峰间距迅速增大,变化幅度达0.198 μm。由此可知,L2段填充材料的折射率对新型LPFG传感器的光谱特性有着重要的影响,选择合适折射率的填充材料有利于提高新型LPFG传感器的浓度传感灵敏度。

填充材料折射率为1.42和包层半径为50 μm的情况下,分裂峰波长间距与外界环境折射率之间的关系如图7所示。

由图可知,当光栅外为空气时,两分裂峰的间距为0.07 μm,随着外界环境折射率的增大两分裂峰的间距也随着增大,当环境折射率为1.75时,分裂峰间距达到0.14 μm。所以通过分裂峰的间距可检测外界环境折射率变化,从而可用于气体或液体浓度的检测,尤其是一些体积小、电场强,腐蚀大的场所。

4 结论

本文设计了一种新型结构LPFG,采用传输矩阵法和三包层光纤色散方程分析了该光栅的光谱特性。由于该光栅结构上的特殊性使谐振波长分裂,分裂后的两个谐振波长间距对折射率敏感,可用于气体或液体浓度的测量。该种LPFG结构紧凑,即可减小光栅之间的熔接,又可大大减小传感头的体积;同时如果填充材料优化选择,传感灵敏度可以得到大幅提高。

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赵洪霞(1970-),女,黑龙江青冈人,硕士,副教授,主要研究方向为光纤传感和光纤通信,zhx-1228@163.com;

程培红(1979-),女,河南省许昌人,博士,副教授,主要从事半导体光电材料与器件、金属表面等离激元的理论和应用研究,peihongcheng@163.com。

ResearchonOptical-SpectrumCharacteristicsofaNovelLong-PeriodFiberGrating*

ZHAOHongxia*,CHENGPeihong,BAOJilong,WANGJinxia

(Electronic and Information Engineering College,Ningbo University of Technology,Ningbo Zhejiang 315016,China)

A novel LPFG structure was proposed based on the excellent relation between effective refractive index of cladding,radius and refractive index of cladding and environment refractive index.A theoretical model was built using transmission matrix method and dispersion equation of three-layered fiber,and then numerical simulation was carried out by Mathcad15 software.The simulation results show that the resonance peak is divided into two peaks,and the gap between them is increased when decreasing the cladding radius of the etched section or increasing the thickness of the filling materials.The gap increase is more rapid for the higher order mode.Moreover,the gap between the divided peaks remains unchanged when the refractive index of the filling materials n is less than 1.4 and more than 1.48.The gap change is remarkable when the refractive index is in the 1.4

optical-fiber grating;cladding-radius;filled-thickness;filled materials refractive index;environment refractive index

项目来源:国家自然科学基金项目(61154003)

2014-02-26修改日期:2014-05-19

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.007

TN212.14

:A

:1004-1699(2014)06-0743-04